Визначення рівня захисних можливостей ґрунту від забруднення нітратами
Практичне заняття № 5
Тема: Нітрати та нітрити в рослинницькій продукції. Визначення вмісту нітратів в овочевих культурах.
Мета: ознайомити студентів з шкідливістю нітратів та нітритів в рослинницькій продукції та визначати вміст нітратів в овочевих культурах за допомогою селективних електродів.
Основні терміни
Нітрати –солі азотної кислоти; у природі поширені у вигляді мінералів – натрієвої і калієвої селітр. Безбарвні кристалічні речовини, стійкі за звичайних умов, добре розчиняються у воді. Надмірний вміст нітратів у біомасі нерідко стає причиною погіршення якості товарної продукції й отруєння.
Нітрити – солі азотистої кислоти, які мають як окисні, так і відновні властивості. В разі потрапляння в організм з їжею мають не лише токсичну, а й канцерогенну дію.
ГДК(гранично допустима концентрація) – норматив, кількість шкідливої речовини в навколишньому середовищі, яка при постійному контакті або впливі за певний проміжок часу практично не впливає на здоров’я людини і не викликає негативних наслідків у її потомства.
Доза токсична – мінімальна кількість шкідливого агента, що призводить до помітного отруєння організму.
Доза летальна – мінімальна кількість шкідливого агента, потрапляння якого в організм неминуче призводить до його смерті.
Генеративні (лат. organa generativa) чи репродуктивні (лат. o. reprjductiva) органи - органи, за допомогою яких відбувається розмноження рослин. У вищих рослин генеративні органи представлені квіткою (або суцвіттям) та плодом.
Вегетативні органи - частини тіла вищих рослин, які виконують основні функції живлення та обміну речовин із зовнішнім середовищем. Не беруть безпосередньої участі в спороутворенні та статевому розмноженні, але можуть виконувати функцію вегетативного розмноження. Основними вегетативними органами рослин є пагін (забезпечує фотосинтез) та корінь (забезпечує всмоктування води та мінеральне живлення).
Теоретичні відомості
Нітрати і нітрити є природними компонентами рослин, утилізуються органами людини і тварин у певній кількості.
Вважають, що нітрати не досить токсичні, але утворений з них шляхом відновлення нітрит-іон здатний прямо негативно діяти на біологічну систему, токсичність його в 10 разів вищи від токсичної дії нітратів. Перші ознаки її - це підвищення концентрації мет- і сульфгемоглобіну в крові, зміна біострумів головного мозку, порушення вуглеводневого та білкового обміну, зниження фізичної і розумової працездатності. Мет- і сульфгемоглобін знижують зв’язування кисню червоними кров’яними тільцями. Нітрити, що утворюються в результаті нестачі кисню, виявляють судинорозширювальну, спазмолітину дію, знижують кров’яний тиск. Найбільшу загрозу для людини становлять нітрозо сполуки. Вони мають виражені канцерогенні, мутагенні й ембріотоксичні властивості.
Великої шкоди тваринництву завдають нітрати, якщо в кормах концентрація їх перевищує гранично допустимі межі. Летальна доза нітратів для великої рогатої худоби в добовій нормі корму становить приблизно 250 г. Отруєння проявляється вже через 1-2 год після згодовування, а через 10 год тварина гине. Середня кількість їх у раціонах не повинна перевищувати 0,5% на суху речовину корму.
При згодовуванні кормів, забруднених нітратами, в молоці та м’ясі нагромаджуються нітрати і нітрити, які надходять потім в організм людини. Під впливом їх в організмі людей зменшується кількість кисню до 40-60%, вони стають кволими і сонливими. У дітей до 10-12- річного віку втрачається моторна форма пам’яті, спостерігаються її провали. У немовлят до тримісячного віку і молодих тварин, у яких не сформована ферментативна система, може різко зростати концентрація метгемоглобіну, що викликає захворювання (нестача кисню у крові, тканинах, сильне відставання у рості, велика млявість).
При незначній кількості нітратів у грунті азот їх майже повністю перетворюється в органічні сполуки ще в корінні. Якщо ж грунт містить надлишок нітратів, то вони надходять у стебла, листки та плоди.
За медичними нормами, добова доза нітратів для дорослої людини не повинна перевищувати 300-325 мг, для дітей – не більше 5 мг на 1 кг маси тіла.
Нітрати – солі азотної кислоти, які часто зустрічаються в навколишньому середовищі, головним чином у ґрунті та воді. Іон NO3-, не поглинається ґрунтом, тому більшість нітратного азоту перебуває в ґрунтовому розчині, легко рухомий і доступний для рослин. Нітрати входять до складу добрив, а також є природними компонентами харчових продуктів рослинного походження.
Для рослин нітрати не токсичні. У них вони накопичуються, коли поглинутий азот не повністю витрачається на синтез амінокислот і білків, тобто не всі нітрати відновлюються до аміаку. Концентрація нітратів у культурних рослинах залежить в основному від виду і сорту рослин, фази їх росту і розвитку вегетації, погодних умов у вегетаційний період, неконтрольованого використання азотних добрив. Серед представників вищих рослин виділяється група рослин, що акумулюють значну кількість нітратів. До них належать родини амарантових, лободових, зонтичних,складноцвітих, капустяних, пасльонових. Серед родин, що охоплюють овочеві культури, найвищою здатністю до нагромадження нітратів відзначаються капустяні, гарбузові, селерові, пасльонові.
Видові розбіжності рослин за нагромадженням нітратів часто зумовлені локалізацією нітратів у певних органах рослин. Рівень нітратів у черешках значно ( в1,5 – 4 рази) перевищує їх кількість у листковій пластинці. У генеративних органах нітрати відсутні, вміст їх менший, ніж у вегетативних органах, а кількість нітратів у коренях, стеблах та черешках листків значно вища, ніж у листковій пластинці.
Для контролю за якістю продуктів харчування і запобігання негативним наслідкам у багатьох країнах світу встановлені гранично допустимі концентрації (ГДК) вмісту нітратів у різних продуктах харчування.
В Україні ГДК в рослинах, харчових продуктах, рослинній продукції і кормах до 1986 року були в 2,4 – 3,9 рази менші, ніж у 1988 р. Міністерством охорони здоров’я України затверджено нове положення про ГДК,
З метою збільшення урожайності культур у грунт вносять підвищену кількість азотовмісних добрив. Це призводить до накопичення вмісту нітратів в рослинницькій продукції. Якщо овочі вирощені без додаткового внесення азотних добрив, вміст нітратів у них буде приблизно наступний (табл. 1):
Таблиця 1
Гранично допустима концентрація нітратів у продуктах
рослинництва і кормах
| Продукція, корми | NO3, мг/кг сирої маси | Продукція, корми | NO3 мг/кг сирої маси |
| Картопля | Кавуни | ||
| Капуста | Продукти дитячого харчування | ||
| Морква | Зернофураж | ||
| Томати | Кормові буряки | ||
| Огірки | Силос (сінаж) | ||
| Столові буряки | Зелені корми | ||
| Цибуля-ріпка | Грубі корми (сіно, солома) | ||
| Цибуля-перо | Травяне борошно | ||
| Перець солодкий | Комбікорм для ВРХ | ||
| Кабачки | Комбікорм для свиней і птиці |
Найбільш високу здатність накопичувати нітрати мають хрестоцвітні, гарбузові, амарантові, в’юнкові, пасльонові. Найменша кількість нітратів міститься в томатах. У молодих рослинах нітратів на 50-70% більше, ніж у зрілих. У вегетативних органах їх вміст зростає у напрямі до коріння. Наприклад, у листках білокачанної капусти нітратів на 60-70% менше, ніж у качані. У листах салату їх на 40-50% менше, ніж у листових черешках.
Допустима (безпечна) добова доза надходження нітратів до організму людини – 5 мг на 1 кг маси тіла. Дорослій людині масою 60-80 кг не повинно зашкодити здоров’ю близько 350 мг нітратів. За Держстандартом на питну воду, кожен літр її може містити до 45 мг нітратів.
Суть методу. Потенціометричний метод визначення нітратів у рослинницькій (овочевій) продукції базується на вилученні нітратів 1%-им розчином алюмокалієвих галунів з подальшим визначенням рNO3 або ЕРС. Як екстрагент (компонент, за допомогою якого вилучають нітрати із овочевих культур) використовують розчин алюмокалієвих галунів, який має велику іонну силу. Потенціал іон селективного електроду в розчині алюмокалієвого галуну швидко відновлюється. Вміст нітратів визначають безпосередньо у розчинах або суспензіях. Із хрестоцвітних рослин (капуста, редька, редиска) їх екстрагують розчином алюмокалієвих галунів, перманганату калію і сірчаної кислоти.
Таблиця 2
Показники нітратів у товарній частині рослин (за Соколовим О. А., Бубнової Т. В., 1989: Дмитренко П. А., 1989), мг/кг сирої маси).
| Рослини | Вміст | МДР* | Рослини | Вміст | МДР* |
| Кавуни | 40-600 | Огірки | 80-500 | ||
| Баклажани | 80-270 | Перець солодкий | 40-330 | ||
| Дині | 40-500 | Салат | 400-2960 | ||
| Капуста білокачанна | 260-3000 | Петрушка (зелень) | 1700-2500 | ||
| Капуста салатна | 1000-2700 | Буряк столовий | 200-4500 | ||
| Кабачки | 400-700 | Сельдерей | 120-1500 | ||
| Картопля | 40-980 | Томати | 10-180 | ||
| Цибуля зелена | 40-1400 | Часник | 40-180 | ||
| Цибуля ріпчаста | 500-900 | Шпинат | 600-4000 | ||
| Морква | 160-2200 | Щавель | 240-4000 |
*- максимальний допустимий рівень
Увага: іонселективні електроди непридатні для визначення вмісту нітратів, якщо вміст хлоридів у пробі перевищує у 50 разів.
Прилади і матеріали. Іономір (рН-метр), іонселективний нітратний електрод, електрод порівняння, 1%-ий розчин алюмокалієвого галуну, набір стандартних розчинів КNO3, екстрагент для хрестоцвітних овочевих культур (10 г алюмокалієвого галуну розчиняють у воді в мірній колбі на 1 л, додають 1 г KMnO4 і 0,6 мл концентрованої H2SO4, об’єм доводять водою до риски).
Хід роботи
1. Для виконання аналізу згідно з інструкцією готують до роботи іономір (рН-метр), іонселективний нітратний електрод та електрод порівняння.
2. Калібрування приладу для визначення вмісту нітратів проводять за допомогою зразкових 1×10-1, 1×10-2 , 1×10-3, 1×10-4 М розчинів КNO3 з рNO3 відповідно 1, 2, 3, 4.
3. Сиру наважку 12,5 г подрібнених овочевих культур (картопля, морква, буряк, томати, огірки) переносять у гомогенізатор, додають 25 мл 1%-го розчину алюмокалієвих галунів і гомогенізують 1 хв, а потім за допомогою скляної палички утворену масу перемішують протягом 5 хв. У суспензії або фільтраті визначають вміст нітратів. Після кожного визначення нітратів електроди споліскують дистильованою водою.
4. Отримавши на приладі показник рNO3, за допомогою таблиці визначаємо вміст нітратів (N-NO3, мг/кг) у рослинницькій продукції. Для визначення вмісту нітратів у хрестоцвітних рослинах 10 проби переносять у гомогенізатор, додають 50 мл. екстрагенту, гомогенізують 2–3 хв або збовтують 3 хв, добавляючи 2–3 краплі 30%-го розчину Н2О2 до знебарвлення перманганату.
Вміст нітратного азоту (в мг/кг) визначають за формулою:
X =10- pNO3 ×14 × V/m × 10
|
3
де - рNO3 від’ємний логарифм концентрації іонів NO-3;
14 – атомна маса азоту, г;
10 3 – коефіцієнт перерахунку у міліграми;
V – об’єм екстрагенту, мл; m – маса наважки рослинного матеріалу, г.
Інтенсивне застосування незбалансованих за поживними речовинами мінеральних добрив, неправильне їх зберігання, недотримання норм витрат, строків внесення у грунт зумовлює накопичення надмірної кількості нітратів спочатку у ґрунті, а потім і в продуктах рослинного походження (табл. 3).
Таблиця 2
Вміст нітратів і нітритів у рослинних продуктах, мг/кг сирої продукції
(за Гончаровою М. Г., 1980; Барсельянцем Г. Б., 1981; Циганенком О. І., 1985).
| Назва продукції | Нітрати | Нітрити |
| Чорна редька | 700-2520 | 1,12 |
| Морква | 9-334 | 0,44 |
| Буряки столові | 40-3200 | 0,80 |
| Капуста білокачанна | 10-1900 | 0,25 |
| Капуста цвітна | 144-527 | 0,47 |
| Картопля | 5-220 | 0,32 |
| Кабачки | 8-240 | - |
| Огірки | 6-359 | 0,27 |
| Томати | 6,8-38,7 | 0,20 |
| Салат | 240-3600 | - |
| Петрушка | 1,27 | |
| Томати парникові | 53-237 | - |
| Огірки парникові | 110-656,2 | 0,45 |
| Кавуни | 10-300 | - |
| Дині | 35-201 | - |
| Зерно пшениці | 10,0 | - |
| Полуниця | 49,7 | 0,22 |
| Яблуко | 1,2-99,2 | - |
Токсична дія нітратів полягає у гіпоксії (кисневому голодуванні тканин), що розвивається внаслідок порушення транспортування кисню кров’ю, а також у пригніченні активності деяких ферментативних систем, які беруть участь у процесах тканинного дихання. Допустима добова доза нітратів – основний гігієнічний показник, що використовують для обґрунтування регламентів допустимого вмісту нітратів у харчових продуктах.
Для перевірки відповідності розроблюваних показників допустимого вмісту нітратів в окремих продуктах гігієнічним вимогам проводять розрахунок за такою формулою:
ДкNsKГПKїчі
|
| |
|
Кбе
де ДДД – допустима добова доза нітратів в мг;
Дкі – допустима концентрація нітратів для харчових продуктів, включаючи питну воду в мг/кг чи мл/л;
Ni – середньодушове споживання за добу в кг/л;
КГП – коефіцієнт зміни концентрації нітратів у готовому для споживання продукті (у відносних одиницях);
Кїчі – коефіцієнт їстівної частини продуктів (у відносних одиницях);
Кбе – коефіцієнт біологічної еквівалентності (відносної токсичності)
нітратів ”їжа-вода”.
Таблиця 4
Розрахункове середньодобове надходження нітратів з овочевою
продукцією
| Продукт | Спож. за добу, г | Коеф. їстівної частини | Спожив. їстівної частини | Допустимий вміст нітратів, мг/кг | Фактичний вміст нітратів, мг/кг | Коеф. втрат, кулінарна обробка | Надход. нітратів |
| Картопля | 0,72 | 0,5 | |||||
| Морква | 0,8 | 35,2 | 11,4 | 0,7 | |||
| Капуста | 0,8 | 0,7 | 29,4 | ||||
| Цибуля ріпчаста | 0,84 | 4,6 | 0,7 | 3,2 | |||
| Буряки столові | 0,8 | 39,2 | 0,7 | 27,4 | |||
| Томати | 0,95 | 35,1 | 7,9 | 0,9 | 7,1 | ||
| Цибуля | 0,8 | 11,2 | 7,8 | 0,9 | 7,1 | ||
| Огірки | 0,93 | 18,6 | 5,1 | 0,9 | 4,6 | ||
| Баштан | 0,62 | 37,8 | 2,8 | 1,0 | 2,8 | ||
| Фрукти | 0,9 | 6,5 | 1,0 | 6,5 |
Визначення рівня захисних можливостей ґрунту від забруднення нітратами.
Завдяки лабораторним дослідженням динаміки вмісту нітратів у різних типах ґрунтів дало змогу визначити їх потенційну здатність до самоочищення. Основними факторами, що впливають на вміст нітратів, є фізико-хімічні процеси у ґрунті та біологічна активність ґрунтової мікрофлори. Різні типи ґрунтів характеризуються неоднаковими темпами зменшення вмісту нітратів і залишком у кінці досліду.
Таблиця 5
Здатність ґрунтів до самоочищення
| Доза N, кг/га | Коефіцієнт самоочищення, мг NO3 на 1 кг грунту | |||
| 5 діб | 10 діб | 20 діб | 60 діб | |
| Дерново-підзолистий | ||||
| 13,2 | 3,50 | 0,3 | ||
| 51,1 | 18,8 | 0,3 | ||
| 78,2 | 27,1 | 0,3 | ||
| 1,0 | ||||
| 67,9 | 0,8 | |||
| Темно-сірий опідзолений | ||||
| 6,10 | 16,5 | 0,1 | 0,1 | |
| 38,3 | 26,1 | 1,7 | 0,3 | |
| 19,0 | 79,1 | 2,3 | 0,3 | |
| 10,1 | 3,5 | 0,1 | ||
| 1,20 | 74,0 | 1,4 | ||
| Чорнозем звичайний | ||||
| 1,12 | 22,9 | 2,50 | 0,1 | |
| 23,1 | 18,8 | 12,8 | 0,2 | |
| 0,1 | 97,2 | 20,6 | 0,5 | |
| 17,6 | 78,2 | 24,8 | 1,6 | |
| 84,3 | 33,1 | 64,8 | 2,1 | |
| Темно-каштановий | ||||
| 4,60 | 3,90 | 3,40 | ||
| 35,8 | 20,4 | 6,30 | ||
| 25,2 | 29,4 | 23,8 | 0,1 | |
| 20,2 | 73,6 | 29,9 | 0,3 | |
| 20,2 | 47,1 | 1,5 |
Для порівняння цих показників обчислюють коефіцієнт самоочищення ґрунтів за формулою, запропонованою К. Вуркманом (1972):
|
|
g tg
де ЗС – здатність середовища до самоочищення;
Sm – показник самоочищення;
СО, Ск – концентрації забруднювача відповідно на початку і в кінці процесу очищення;
t – тривалість процесу самоочищення;
g – загальна маса середовища;
Q – прибуток забруднювача.
Література
1. Городній М.М., Бикін А.В., Сердюк А.Г. та ін.Агрохімічний аналіз: Підручник / За ред. Городнього М.М. – К.: Арістей, 2007. – 624 с.
2. Дегодюк Е. Г. Вирощування екологічно чистої продукції рослинництва / Е. Г. Дегодюк, В. Ф. Сайко, М. С. Корнійчук [та ін.] – Київ, Вид. Урожай, 1992. - 310 с.
3. Капштик М.В., Петренко Л.Р. Охорона ґрунтів. К.НАУ., 2000. – 94 с.
4. Методи агрохімічних досліджень. Практикум / А. П.Лісовал. – К.: НАУ, 2001. – 247 с.
5. Охорона ґрунтів: Навч. посібник./ М.К.Шикула, О.Ф.Гнатенко, Л.Р.Петренко, М.В.Капштик – К.: Знання, 2001. – 398 с.
6. Патика В.П., Макаренко Н.А. Методика агроекологічної оцінки мінеральних добрив. – К.: Інститут агроекології і біотехнології УААН, 2004. – 21 с.
Контрольні запитання
1. Які речовини називають нітратами ?
2. Назвіть джерела надходження нітратів у рослини.
3. Що таке МДР нітратів у рослинницькій продукції, в яких межах цей показник може бути ?
4. Розкажіть суть методу визначення вмісту нітратів в овочах за допомогою іонселективного електроду.
5. За отриманими даними на лабораторному занятті визначте, чи забруднені досліджувані продукти нітратами, якщо так то у скільки разів їх вміст перевищує максимально допустимий рівень ?
6. Яка допустима (безпечна) добова доза надходження нітратів до організму людини на 1 кг маси тіла ?